Органическая химия изучает соединения углерода и считается основой всей жизни на Земле. Но не только углерод играет ключевую роль: многие биохимические процессы зависят и от металлов. В природе для объединения лёгких органических соединений с тяжёлыми атомами металлов часто используются особые структуры — порфирины.
Эти молекулы образуют органическое кольцо, в центре которого закрепляется ион металла, например железо, кобальт или магний. На основе порфиринов построены такие фундаментальные системы, как гемоглобин в крови человека или хлорофилл в растениях. В зависимости от «пойманного» металла свойства соединений радикально меняются, что давно привлекает внимание химиков и материаловедов, в том числе в области молекулярной электроники.
Чтобы такие молекулярные компоненты могли работать, их нужно соединить между собой, и это оказалось непростой задачей. Учёным из лаборатории Empa совместно с химиками Института полимерных исследований общества Макса Планка удалось сделать именно это: они прикрепили порфирины к графеновой наноленте с идеальной точностью. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Графеновые наноленты — это узкие полоски двумерного материала графена, чьи свойства зависят от ширины и формы краёв. В работе использовалась лента всего в один нанометр шириной с так называемыми зигзагообразными краями. Вдоль этих краёв порфирины выстраивались в чётком порядке, поочерёдно с обеих сторон. Такой «каркас» позволил объединить два типа магнетизма: тот, что создаётся металлическим центром порфирина, и особый магнетизм, возникающий в самой графеновой ленте.
Учёные отмечают, что подобная комбинация открывает широкие перспективы. Графеновая лента здесь играет роль не только проводника электричества, но и «магнитного кабеля» на наномасштабе. Это может быть использовано в квантовых технологиях, где именно спин — источник магнетизма — служит носителем информации. Исследователи предполагают, что такие цепочки могут работать как серия связанных кубитов.
Интересны и оптические свойства системы. Порфирины являются природными пигментами, а значит, способны взаимодействовать со светом. Это позволяет использовать их для считывания информации по изменению цвета излучения или же, наоборот, управлять проводимостью и магнетизмом с помощью света. Кроме того, химическая модификация порфиринов даёт возможность настраивать их под сенсоры, реагирующие на определённые вещества.
Создание этих наноструктур оказалось крайне сложным. Учёные из Института Макса Планка синтезировали особые предшественники молекул с порфириновым ядром и точно расположенными углеродными кольцами. Далее они подвергались «выпеканию» при высоких температурах в ультравысоком вакууме на поверхности золота, что позволило собрать цепочку с атомарной точностью. Сейчас команда Empa работает над тем, чтобы превратить эти наноматериалы в основу будущих квантовых технологий.